一种控制系统及方法

1.本发明涉及控制系统领域，尤其涉及一种控制系统及方法。


背景技术：

2.随着智能算法的不断发展，无人机、无人车、机器人等传统控制系统正在向智能化发展，并且应用更加广泛。智能控制系统是能够自主感知物理环境中的信号与自然变化，并具备启动处理相应事件能力的控制系统。为了更好地发挥智能控制系统的作用，其安全问题越来越受重视。针对智能控制系统传感器、控制系统、组网通信的攻击更是手段日新月异，比较常见的手段包括攻击智能控制系统所依赖的卫星定位系统，进行导航干扰和验证，或对实时通讯等信号进行干扰、压制、破译篡改。上述因素都对智能控制系统的安全技术提出了新的挑战。
3.导航干扰和压制是一种常见卫星定位系统反制手段，主要方式是以同频大功率的电磁干扰信号覆盖有效卫星信号，使卫星定位系统收到的定位信息噪声过大，从而无法确定自身位置，丧失正常工作能力。
4.导航诱骗是另一种作用于卫星定位信号上的欺骗手段，其主要方式是持续发送带有一定偏差的错误定位信息，逐步使智能控制系统脱离原有轨迹，被诱骗至指定地点。
5.智能控制系统通讯链路的压制也主要依赖大功率干扰设备，目的是阻断智能控制系统与地面控制站的联系。此外，智能控制系统与地面控制站交互时，若采用明文通讯，则存在被破译篡改的风险。
6.目前对抗导航压制和通讯压制的主要方法是通过软硬件滤波技术降低噪声信号的影响。解决导航诱骗问题，主要采用抗导航诱骗算法。解决通讯信息被破译篡改的方法是进行通讯加密。利用软硬件滤波的方式虽能抵御一定程度的导航压制与通讯压制，但会带来一定程度的信号延迟，影响无人机的飞行。此外，当压制设备功率很大，干扰噪声信号很强，数十倍上百倍于有效信号时，便很难通过滤波获得有效信号，这种抵御方法也就随之失效。传统的抗导航欺骗算法，只能检测大范围突变跳变模式的欺骗，无法抵抗小制度持续诱骗。通讯加密技术用于解决通讯破译篡改等问题，但是由于通讯链路不同，加密算法不同会引起许多时间戳同步与通讯延迟等问题。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明提出了一种控制系统及方法，所述系统及方法，用以解决智能设备在应用时面临的干扰的技术问题。
8.根据本发明的第一方面，提供一种控制系统，一种控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：抗压制阵列天线、加密模块及控制器；所述抗压制阵列天线用于接收卫星导航系统获取的定位信号，所述定位信号用于对搭载有所述控制系统的智能设备所在位置进行定位；所述抗压制阵列天线包括由多个天
线单元组成的多单元天线阵、与所述多单元天线阵的各通道相匹配的模拟下变频模块；所述模拟下变频模块用于对所述定位信号对应的射频信号进行预处理，以得到第一多路模拟中频信号，所述模拟下变频模块包括多个射频前端，所述天线单元与所述射频前端一一对应；所述第一多路模拟中频信号输入自适应抗干扰处理器；所述自适应抗干扰处理器用于多通道模数转换、数据处理以及进行抗干扰计算，所述自适应抗干扰处理器将处理后的第二模拟中频信号输入上变频模块，所述上变频模块将所述处理后的第二模拟中频信号转换为第二射频信号，所述第二射频信号为干扰抑制后的射频信号；将所述第二射频信号发送到所述控制器；所述控制器用于接收所述第二射频信号，基于所述第二射频信号判断所述搭载有所述控制系统的智能设备的安全状态，产生控制指令，所述控制指令用于控制所述智能设备的制动系统；所述控制器包括抗导航欺骗子模块以及机器学习子模块；所述抗导航欺骗子模块基于所述第二射频信号判断由卫星导航系统得到的所述智能设备的定位是否真实；若判断结果为真实，则将卫星导航系统接收到的定位信息转换成控制指令发送给所述制动系统；若判断结果为假，即所述智能设备受到诱骗，由所述机器学习子模块对所述控制系统的实际位置进行估算，将估算得到的结果作为所述智能设备的实际定位信息，再由所述控制器基于所述实际定位信息计算所述控制系统的各类状态参数，将计算得到的所述各类状态参数基于自定义协议传输给所述加密模块；所述加密模块用于对接收到的所述各类状态参数加密。
9.优选地，所述自适应抗干扰处理器包括模数转换模块、抗干扰计算模块、预处理模块以及数模转换模块，所述模数转换模块用于将所述第一多路模拟中频信号对应的模拟信号转换为相应的数字信号，所述抗干扰计算模块对所述数字信号进行抗干扰计算以滤除干扰信号，得到第二模拟中频信号，所述预处理模块用于将所述第二模拟中频信号降频得到基带信号，所述数模转换模块用于将基带信号对应的数字信号转换为相应的模拟信号，即得到处理后的第二模拟中频信号。
10.优选地，所述加密模块包括软件功能层和设备驱动层；所述设备驱动层用于提供通用的通信协议接口，接收所述各类状态参数，将接收到的所述各类状态参数转化为串口数据，将所述串口数据发送给所述软件功能层；所述设备驱动层包括rs422串口驱动子模块以及rs232串口驱动子模块，所述rs422串口驱动子模块作为备用模块，在所述rs232串口驱动子模块出现故障时启用；所述rs232串口驱动子模块用于将接收到的所述各类状态参数转化为串口数据，将所述串口数据发送给所述软件功能层，且所述rs232串口驱动子模块连接所述控制系统外部的数传设备和加解密信息收发设备；所述软件功能层对接收到的所述各类状态参数加密；所述软件功能层包括串口数据处理子模块、加密子模块以及系统状态指示子模块；所述处理子模块解析所述接收到的所述串口数据，所述加密子模块对解析后的数据进行加密处理，所述系统状态指示子模块指示所述控制系统的状态。
11.优选地，所述抗导航欺骗子模块基于所述第二射频信号判断由卫星导航系统得到的所述智能设备的定位是否真实，判断方法包括：步骤s11：获取由卫星导航系统获取的所述控制系统的定位信号，用于指示所述控制系统的定位信息；步骤s12：初始化采样次数i=1，累加差值sump=0；获取第i次采样时获取的卫星导
航系统关于搭载有所述控制系统的智能设备的定位信息pi；步骤s13：到达采样时间间隔，获取第i 1次采样时获取的卫星导航系统关于搭载有所述控制系统的智能设备的定位信息p
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；计算两次采样期间搭载有所述控制系统的智能设备的位置漂移；若，则进入步骤s14，否则，所述智能设备的定位不真实，方法结束；其中，e为预设的单步阈值；步骤s14：计算累加差值sump，将sump赋值为；若sump《e，则将i赋值为i 1，进入步骤s15；否则，所述智能设备的定位不真实，方法结束；步骤s15：若停止采样，则所述智能设备的定位真实；否则，进入步骤s13。
12.优选地，所述加密模块与所述控制器之间，所述控制指令采用自定义的通信协议进行通信，所述自定义的通信协议为设置head、msg_id、target_id、local_id、len、paylaod、checksum、signature字段，所述head字段用于表示帧头，所述msg_id字段为消息编号，用于区别同一帧头下的不同数据或指令；所述target_id字段用于指示目标智能设备的编号，所述local_id字段用于指示本台智能设备的编号；所述len字段用于指示通讯数据包总长度的总长度；所述paylaod字段为具体消息载荷，包含所需要的传递的消息内容，不同编号的消息会对应不同消息载荷；所述checksum字段用于进行累加差值的校验；所述signature字段用于检验消息的完整性和正确性。
13.根据本发明第二方面，提供一种控制方法，基于如前所述的控制系统，所述控制方法包括：步骤s1：所述阵列天线接收卫星导航系统的定位信号并消除噪声干扰，将所述控制系统卫星导航系统接收的定位信息经飞行控制器传递给控制器；步骤s2：所述控制器中的抗导航诱骗子模块判断所述定位信息是否真实；若结果为真实，将卫星导航模块接收到的位置信息转换成指令发送给所述智能设备的制动系统；否则，由所述控制器的机器学习子模块对所述控制系统的实际位置进行估算，将估算得到的结果作为所述控制系统的实际定位信息，由所述控制器基于所述实际定位信息计算所述控制系统的各类状态参数，将计算得到的所述各类状态参数基于自定义协议传输给所述加密模块；步骤s3：所述加密模块对所述各类状态参数加密，将加密后的数据通过电台传送到地面站，由地面站基于部署于地面站的解密模块对所述加密后的数据进行解密。
14.根据本发明的上述方案，本专利提出一种安全智能控制方法及系统，能够抵抗导航干扰压制、导航诱骗，防止通讯信号破译篡改等安全威胁。
15.本发明采用四相抗压制阵列天线解决导航干扰压制问题，其优势是能自主判别信号来源，有效过滤来自某一方向的大功率干扰信号，同时不会带来明显的信号延迟。
16.本发明设计了抗导航诱骗算法，该算法部署在飞行控制器内部以获得更好的同步性，实现抵抗大范围突变诱骗和小范围逐步诱骗的功能。
17.本发明解决通讯信号破译篡改的方案为在通讯链路中添加定制的加密解密模块。加密解密模块在与其有线连接的设备（控制器及地面站）通讯时采用自定义协议以增加效
率，彼此之间通过电台进行无线通讯时则以密文方式进行。
18.本发明具有以下技术效果：（1）能够有效保护智能无人平台的运行安全与信息安全。
19.（2）能有效抵抗攻击方对导航信号的压制，自主判别信号来源，有效过滤来自某一方向的大功率干扰信号，同时不会带来明显的信号延迟。
20.（3）能判断所接收的卫星信号是否真实合理，从而抵抗攻击方的导航诱骗，并通过内部搭载的抗导航欺骗算法预测智能控制系统的位置，继续执行任务。
21.（4）通过搭载的加密模块进行通讯加密，有效抵抗攻击方的信息破解与篡改，保护智能控制系统信息安全。
22.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
23.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明提供如下附图进行说明。在附图中：图1为本发明一个实施方式的控制系统的总体架构图；图2为本发明一个实施方式的阵列天线结构示意图；图3为本发明一个实施方式的加密模块内部结构示意图；图4为本发明一个实施方式的抗导航欺骗方法流程示意图；图5为本发明一个实施方式的无人机抗导航压制流程示意图；图6为本发明一个实施方式的无人机抗导航欺骗流程示意图；图7为本发明一个实施方式的无人机抗破译篡改流程示意图。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.首先结合图1-图4说明本发明的控制系统的总体架构，所述控制系统作为总控核心模块部署于智能控制系统中。如图1-图4所示：所述控制系统包括抗压制阵列天线、加密模块及控制器。
26.所述抗压制阵列天线用于接收卫星导航系统获取的定位信号，并对抗定位信号压制，所述定位信号用于对搭载有所述控制系统的智能设备所在位置进行定位；所述抗压制阵列天线包括由多个天线单元组成的多单元天线阵，与所述多单元天线阵的各通道相匹配的模拟下变频模块，所述模拟下变频模块用于对射频信号进行预处理，以得到第一多路模拟中频信号，所述模拟下变频模块包括多个射频前端，所述天线单元与所述射频前端一一对应；所述第一多路模拟中频信号输入自适应抗干扰处理器，所述自适应抗干扰处理器用于多通道模数转换、数据处理以及进行抗干扰计算。所述自适应抗干扰处理器包括模数转换模块、抗干扰计算模块、预处理模块以及数模转换模块，所述模数转换模块用于将所述第
一多路模拟中频信号对应的模拟信号转换为相应的数字信号，所述抗干扰计算模块对所述数字信号进行抗干扰计算以滤除干扰信号，得到第二模拟中频信号，所述预处理模块用于将所述第二模拟中频信号降频得到基带信号，所述数模转换模块用于将基带信号对应的数字信号转换为相应的模拟信号，即得到处理后的第二模拟中频信号，所述自适应抗干扰处理器将所述处理后的第二模拟中频信号输入上变频模块，所述上变频模块将所述处理后的第二模拟中频信号转换为第二射频信号，所述第二射频信号为干扰抑制后的射频信号；将所述第二射频信号发送到所述控制器。
27.所述控制器用于接收所述第二射频信号，基于所述第二射频信号判断所述搭载有所述控制系统的智能设备的安全状态，产生控制指令，所述控制指令用于控制所述智能设备的制动系统；所述控制器包括抗导航欺骗子模块以及机器学习子模块；所述抗导航欺骗子模块基于所述第二射频信号判断由卫星导航系统得到的所述智能设备的定位是否真实；若判断结果为真实，则将卫星导航系统接收到的定位信息转换成控制指令发送给所述制动系统；若判断结果为假，即所述智能设备受到诱骗，由机器学习子模块对所述控制系统的实际位置进行估算，将估算得到的结果作为所述智能设备的实际定位信息，再由所述控制器基于所述实际定位信息计算所述控制系统的各类状态参数，将计算得到的所述各类状态参数基于自定义协议传输给所述加密模块。
28.所述加密模块用于对接收到的所述各类状态参数加密，所述加密模块包括软件功能层和设备驱动层；所述设备驱动层用于提供通用的通信协议接口，接收所述各类状态参数，将接收到的所述各类状态参数转化为串口数据，将所述串口数据发送给所述软件功能层；所述设备驱动层包括rs422串口驱动子模块以及rs232串口驱动子模块，所述rs422串口驱动子模块作为备用模块，在所述rs232串口驱动子模块出现故障时启用；所述rs232串口驱动子模块连接数传设备和加解密信息收发设备，用于将接收到的所述各类状态参数转化为串口数据，将所述串口数据发送给所述软件功能层。所述软件功能层对接收到的所述各类状态参数加密；所述软件功能层包括串口数据处理子模块、加密子模块以及系统状态指示子模块；所述处理子模块解析所述接收到的所述串口数据，所述加密子模块对解析后的数据进行加密处理，所述系统状态指示子模块指示所述控制系统的状态。
29.进一步地，加密模块将加密后的数据通过电台传送到地面站，由地面站基于部署于地面站的解密模块对所述加密后的数据进行解密。
30.本实施例中，所述控制系统工作过程中，抗压制阵列天线接收卫星导航系统的定位信号并消除来自特定方向的噪声干扰，之后将所述控制系统卫星导航模块收到的定位信息经飞行控制器传递给控制器，再由所述控制器中的抗导航诱骗子模块判断所述定位信息是否真实有效，当判断结果为无效，即所述控制系统受到诱骗，基于所述控制器的机器学习子模块，对所述控制系统的实际位置进行估算，将估算得到的结果作为所述控制系统的实际定位信息，再由所述控制器基于所述实际定位信息计算所述控制系统的各类状态参数，将计算得到的所述各类状态参数基于自定义协议传输给所述加密模块，所述加密模块对所述各类状态参数加密，将加密后的数据通过电台传送到地面站，由地面站基于部署于地面站的解密模块对所述加密后的数据进行解密。
31.所述抗干扰天线的基本原理是接收天线阵的各路射频信号，并通过模拟下变频模块得到多路模拟中频信号，自适应抗干扰处理器采样模拟中频信号并对其进行抗干扰算法
处理后输出模拟中频信号至模拟上变频模块，从而得到干扰抑制后的射频信号。因此，本抗干扰阵列天线仅需置于高精度定位板卡前端，从而实现了与接收机的最大分离，灵活性好、易于配置。
32.所述抗导航欺骗子模块基于所述第二射频信号判断由卫星导航系统得到的所述智能设备的定位是否真实，判断方法包括：步骤s11：获取由卫星导航系统获取的所述控制系统的定位信号，用于指示所述控制系统的定位信息；步骤s12：初始化采样次数i=1，累加差值sump=0；获取第i次采样时获取的卫星导航系统关于搭载有所述控制系统的智能设备的定位信息pi；步骤s13：到达采样时间间隔，获取第i 1次采样时获取的卫星导航系统关于搭载有所述控制系统的智能设备的定位信息p
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；计算两次采样期间搭载有所述控制系统的智能设备的位置漂移；若，则进入步骤s14，否则，所述智能设备的定位不真实，方法结束；其中，e为预设的单步阈值；步骤s14：计算累加差值sump，将sump赋值为；若sump《e，则将i赋值为i 1，进入步骤s15；否则，所述智能设备的定位不真实，方法结束；步骤s15：若停止采样，则所述智能设备的定位真实；否则，进入步骤s13。
33.本实施例中，搭载有所述控制系统的无人机每次收到卫星定位信息时，会与任务航线本身通过机器学习模型计算的预期的当前位置作差值计算，所得值即为单步位置漂移，用于与阈值e做二次差值计算来判断无人机当前的定位信息安全状态。由于当前攻击手段的日益精进，攻击者更倾向于难以被发现的诱骗手段，即对于捕获无人机变得更有耐心，将欺骗信号与通过机器学习模型预测的当前位置信息差值设置阈值内。所以本发明将数次（具体次数由算法预设的时间窗口确定）的单步位置偏差累计起来，便能得到一个多步位置偏差以达到检测更隐秘的欺骗攻击行为。综上，通过判断单步位置偏差是否超过单步阈值，多步位置偏差是否超过多步阈值，便能确定无人机是否受到了导航诱骗。
34.所述加密模块的软件架构设计是算法开发、测试和维护的基础，根据加密算法软件的需求特点，结合软件工程层次化、模块化的设计思想，对所有功能进行层次划分，共分为两大层，即设备驱动层和软件功能层。其中，设备驱动层进行了串口通信驱动的统一化封装，提供了通用的通信协议接口，方便软件的修改和调试；软件功能层包含用于通信协议的数据封包与解包的串口数据处理模块，进行系统状态监控的紧急数据销毁的系统状态指示模块，以及用于通信协议数据包加解密的加密算法模块。
35.进一步地，所述加密模块与所述控制器之间，采用自定义的通信协议进行通信，所述自定义的通信协议为设置head、msg_id、target_id、local_id、len、paylaod、checksum、signature字段，所述head字段用于表示帧头，所述msg_id字段为消息编号，用于区别同一帧头下的不同数据或指令；所述target_id字段用于指示目标智能设备的编号，所述local_id字段用于指示本台智能设备的编号；所述len字段用于指示通讯数据包总长度的总长度；所述paylaod字段为具体消息载荷，包含所需要的传递的消息内容，不同编号的消息会对应
不同消息载荷；所述checksum字段用于进行累加差值的校验；所述signature字段用于检验消息的完整性和正确性。
36.所述自定义的通信协议是结合所述智能设备的应用环境，结合加密需求设置的，如表1所示。
37.表1其中，head为帧头，固定为0x4a字段；target_id为目标智能设备编号，对于单机情况则固定设置为1；signature为签名字段，通过散列算法生成，用于检验消息的完整性和正确性。之所以采用如此的自定义通信协议，是因为传统的通信协议无法完全覆盖以无人系统为代表的智能设备，因此需要根据特殊场景提出自定义的通信协议。
38.如图5-图7所示，以无人机为实验平台，在无人机上部署了所述控制系统，验证其有效性。
39.为验证无人机防护系统能够抵抗一定强度的导航信号压制，如图5所示，进行了实物测试，对于一架正在空中悬停的无人机，攻击方使用能够压制卫星定位信号的电磁压制枪对无人机天线发射干扰信号，搭载了抗压制阵列天线的无人机仍能正常悬停，而只有普通天线的无人机会因为丢失定位而左右漂移。
40.为验证无人机安全智能防护系统能够抵抗虚假的导航信息诱骗，如图6所示，进行实物测试。对于一架正在执行航线的无人机，攻击方使用逐步添加偏差的方式，持续向无人机发送虚假的位置信号，运行着抗导航欺骗算法的无人机能继续执行航线任务，最终以较小偏差抵达终点，而没有运行抗导航欺骗算法的无人机会持续偏离航线，被攻击方诱骗至其预期地点附近。
41.为验证无人机安全智能防护系统在加密模块的支持下能够抵抗虚假的导航信息诱骗，如图7所示，进行了实物测试，对于一架正在空中悬停的无人机，攻击方在知晓明文协议大致结构的情况下，使用同款电台介入无人机与地面站间的通讯，采用破译、重放、修改数据等手段，试图操控无人机，搭载了加密模块的无人机传输信息无法被破译，对攻击方的指令没有反应，而没有加密模块的无人机部分信息（如速度、姿态等）被破译，对攻击方的部分指令（如起飞、降落等）会做出相应动作。
42.本发明实施例进一步给出一种控制方法，所述控制方法基于所述控制系统，所述控制方法包括以下步骤：步骤s1：所述阵列天线接收卫星导航系统的定位信号并消除噪声干扰，将所述控制系统卫星导航系统接收的定位信息经飞行控制器传递给控制器；步骤s2：所述控制器中的抗导航诱骗子模块判断所述定位信息是否真实；若结果为真实，将卫星导航模块接收到的位置信息转换成指令发送给所述智能设备的制动系统；否则，由所述控制器的机器学习子模块对所述控制系统的实际位置进行估算，将估算得到的结果作为所述控制系统的实际定位信息，由所述控制器基于所述实际定位信息计算所述
控制系统的各类状态参数，将计算得到的所述各类状态参数基于自定义协议传输给所述加密模块；步骤s3：所述加密模块对所述各类状态参数加密，将加密后的数据通过电台传送到地面站，由地面站基于部署于地面站的解密模块对所述加密后的数据进行解密。
43.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
45.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
46.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
47.上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，实体机服务器，或者网络云服务器等，需安装windows或者windows server操作系统)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
48.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。